Origin of Silicic Magmatism at the Katla Volcano, South Iceland | Ursprung för kiselrik magmatism vid vulkanen Katla, södra Island

Katla volcano, South Iceland, is a bimodal volcanic system hosting an unusual high number of silicic rocks within a basaltic rift setting. The petrogenesis of silica-rich rocks at Katla is controversial and two end-member hypotheses have been suggested. One model involves closed-system fractional crystallisation from a basaltic parental magma and the other emphasises partial melting of hydrothermally altered basaltic crust. To contribute to this debate, this study provides new δ18O data from a suite of high-silica eruptive rocks with complementary basaltic eruptive material from the Katla caldera complex. Petrographically, the rocks of this study display evidence of partial melting indicated by symplectites in xenoliths as well as variously extensive resorption features. The new δ18O data display a range of the basaltic suite between +4.3 and +8.5‰ (n=15), whereas the few intermediate samples range between +4.1 and +5.9‰ (n=3). The silicic xenoliths available in the study range between -4.9 and -2.3‰ (n=4) while the silicic eruptive material ranges between +2.7 and +6.4‰ (n=30). The dominant part of the high-silica eruptive material (97%) is considered as low-δ18O (≤5.0‰) and plots below typical MORB-type magmas (5.7‰ ±0.3). The wide range of δ18O values of the Katla silicic suite is not possible to explain by closed-system fractional crystallisation and to determine the origin of the high-silica Katla rocks, the new δ18O ratios were utilised in fractional crystallisation (FC) and assimilation and fractional crystallisation (AFC) modelling. The results indicate that a two-stage magma evolution process can explain the origin of the high-silica low-δ18O Katla rocks. The early-stage involves differentiation at deep- to mid-crustal levels by fractionation and assimilation processes involving both high and low δ18O crustal materials, allowing production of intermediate to felsic magmatic compositions. Following this deep differentiation, evolved magmas experience δ18O modification at shallow crustal levels by assimilation of low-δ18O hydrothermally altered crustal material or interaction with low-δ18O waters. Such a two-stage magma evolution process is consistent with geophysical and geobarometric studies of a two-tiered magma plumbing system beneath Katla that supports a mid- to deep-crustal basaltic magma storage system and simultaneous shallow crustal silicic magma storage.

Vulkanen Katla på södra Island är ett bimodalt vulkaniskt system med ovanligt mycket kiselrika bergarter i en basaltisk riftmiljö. De kiselrika bergarterna från Katla har ett kontroversiellt ursprung och två huvudhypoteser har blivit föreslagna. En modell innefattar fraktionerad kristallisation av en basaltisk ursprungsmagma och den andra modellen betonar rollen av partiell smältning av hydrotermiskt altererad basaltisk skorpa. Som en del i denna debatt bidrar denna studie med ny δ18O-data från en serie kiselrikt eruptivt material med komplimenterande basaltiskt eruptivt material från Katlas kalderakomplex. Det studerade materialet i denna studie påvisar tecken på partiell smältning vilket indikeras av symplektiter i xenoliter samt resorptionstecken av olika omfattning. De nya δ18O-värdena för den basaltiska serien varierar mellan +4,3 och +8,5‰ (n=15), medan de få intermediära proverna varierar mellan +4,1 och +5,9‰ (n=3). De kiselrika xenoliterna i denna studie varierar mellan 4,9 och -2,3‰ (n=4) medan det kiselrika eruptiva materialet varierar mellan +2,7 och +6,4‰ (n=30). Den största delen av det kiselrika eruptiva materialet (97%) har låga δ18O-värden (≤5,0‰) som är lägre än typisk basalt från mittoceanryggar (5,7‰ ±0,3). Det breda intervallet av δ18O-värden hos det kiselrika eruptiva materialet är inte möjligt att förklara genom fraktionerad kristallisation och för att undersöka ursprunget användes de nya δ18O-värdena i modeller för fraktionerad kristallisation (FC) samt assimilering och fraktionerad kristallisation (AFC). Resultatet indikerar att en utvecklingsprocess för magman i två steg kan förklara ursprunget av det kiselrika eruptiva materialet med låga δ18O-värden från Katla. Det tidiga skedet involverar differentiering på medeldjupa till djupa nivåer i skorpan genom fraktionerings- och assimilationsprocesser som involverar material från skorpan med både höga och låga δ18O-värden, vilket bidrar till produktion av intermediära till kiselrika magmakompositioner. Efter denna djupa differentieringsprocess genomgår utvecklade magmor en förändring i δ18O-värden högt upp i skorpan genom assimilation av hydrotermiskt altererat material med låga δ18O-värden eller genom interaktion med vatten med låga δ18O-värden. Denna tvåstegsprocess stöds av geofysiska och geobarometriska studier av ett tvådelat magmasystem under Katla vilka talar för ett medeldjupt till djupt basaltiskt magmalagringsutrymme och ett samtida grunt kiselrikt magmalagringsutrymme.